织物表面粗糙度测试仪的新应用
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摘要：
本研究利用一种表面粗糙度测试仪测试面料的粗糙度，这种仪器没有应用到纺织测试的先例。测试的对象包括羊毛和羊毛/涤纶混纺织物。由专家委员会做主观粗糙度测试，同时由他们来确定手感评价。用斯皮尔曼相关分析法研究主观和客观粗糙度测试结果间的关系，并选择与主观测试最关联的粗糙度参数。选择三个粗糙度参数，用方差分析法分析这些参数对测试结果的影响因素。进行重复试验，对不同组织的织物进行测试。本文的目的是开发一种实用的表面粗糙度的测试方法并应用于客观的手感评价上。
关键词：手感；粗糙度；表面
消费者在购买服装或面料的时候依据手感来评价商品的好坏。面料的表面性能，特别是面料的手感，是影响消费者喜好的重要原因。对面料的这些性能的研究已经有很多年了，但直到现在还是很重要的研究课题，因为在世界范围内还没有建立一种标准的、常用的方法。
Kawabata Evaluation System for Fabrics（KESF）是一套著名的用来测量面料表面性能的系统[1]。根据Kawabata的工作，其他研究人员如Hearle和Amirbayat[2]，Matsudaira等人[3-4]，Ajayi[5]，Rangulam等人[6]，Matsu等人[7]，Okur[8]和Ramkumat等人[9-12]也在研究表面性能的测量方法和影响这些性能的因素。根据研究的性能不同，接触式和非接触式的方法都有用到。
本文研究的是用接触式的方法测试表面粗糙度。用一种表面粗糙度测试仪对面料进行测试。所得的数据被用于评价应用这种仪器做面料手感的客观评价测试的可行性。这些测试数据还与面料的主观手感评价结果做了比较。
试验
材料
对所有类型面料的表面性能的评价是很有必要的，这些性能尤其对服用面料特别重要。本文使用100%羊毛和羊毛/涤纶混纺的精纺男士套装面料作为测试原料。样品小样（共73个）是著名的Turkish羊毛面料生产商提供的。作为初步的试验研究，从以下几个基本的结构参数对面料样品进行分析：纤维成分、组织类型、面料克重、面料密度以及面料厚度。表1为测试面料的结构参数。
在测试之前，所有样品都要在标准大气条件（20±2）℃和相对湿度（65±2）%下至少放置24h。
客观粗糙度测试
初步测试由几种不同的、商业用粗糙度测试仪器进行粗糙度测试，它们经常作为原材料的测试仪器而不是纺织品。测试完成后，用Mitutoyo SJ-301型表面粗糙度测试仪（见图1）做进一步的测试――这种仪器是首次用于纺织品测试。
SJ-301是一个指针式表面粗糙度测量仪，能够根据各种标准，依据多个表面粗糙度参数来评价表面质地。SJ-301具有质量轻、便于携带的特点，尺寸约为笔记本电脑大小。它能应用于多种粗糙度参数的测定，最大量程达350 μm（-200 μm ~150 μm）。
SJ-301探测器的单元指针跟踪并记录样品表面的不规则状态。表面粗糙度正是由探测器的垂直指针在经过不规则的原料表面时所产生的位移来测定的。
在这个试验中，选用适用于柔软的材料直径为10μm的指针来代替直径为5μm的标准指针。每种样品选择4个样本进行试验，对4个样品的每个方向都进行测试（经向和纬向）。试验板为粗糙度等级为“0”（见图2）的花岗岩平面（400mm×400mm×60mm）。在测试之前，仪器需通过测量一个粗糙度精度为标准值的样品来校准，并调整测量值与标准值间的误差（如果存在的话）。测试时，追踪指针的速度为0.50 mm/s，测量压力为4 mN（0.4 gf），评估长度为12.5 mm。测试完成后，得到18种不同粗糙度参数的测量图。用于测量面料粗糙度的仪器以及粗糙度测量图的举例见图1~图5[13]。
1）探针；2）接触盘；3）热学打印机
图1利用Mitutoyo SJ-301编码粗糙度测试仪
在探针盘上测量[13]
主观测试
在主观测试中，面料样品被剪成15cm×15cm的小块。为使评价结果更精确，在操作上需明确一些细节，因此制定了一系列程序。程序中指定了主观粗糙度和总手感的定义、评估的手法、评定时间、评价范围和评价工作的顺序等。成立一个能够完成评价的评判委员会，评判委员包括13名女性和3名男性，他们不是大学的讲师、研究助理，就是纺织工程专业的毕业生。根据初步测试的结果规定每个样品的主观测试时间为15 s。
面料表面粗糙度
在主观粗糙度测试中，为评价委员会人员提供一个等级范围表，以便协助他们对面料进行评估。控制织物的选择也可以帮助他们在开始实际主观粗糙度评价之前训练自己。将客观粗糙度测试的结果表示为参数Ra（曲线轮廓偏差绝对值的算术平均差），且将Ra的值按升序排列。在这个阶段以后，面料的最小、最大和中间值被测定出来，并用于初始测试来选择控制面料。在初始测试阶段结束后，发现评价委员会评价出的面料粗糙度的最低和最高值是最有效的。表2显示了评价的范围和依据织物组织选出的控制面料的Ra值。
表2控制面料的客观粗糙度值和评价范围
注：a经向和纬向Ra的平均值。
基于初始测试的结果，以下主观测试评估技术被应用。在主观评估的过程中，“粗糙度”被描述为面料表面的凹凸不平。基于评价技术，评价委员会成员用常用的手在面料上自由移动他/她的手指，试图感受面料的凹凸不平[13]。同时，为防止面料在手指的作用下旋转，他/她要用另外一只手压住面料的边缘。面料有很多凹凸不平的被认为是粗糙的。
下面解释了评估的工作流程。每个评价委员会成员在开始评价之前，可以用控制面料进行足够长时间的训练。样品被放置在木质的盒子里，防止由于颜色和外观的原因对主观评价造成影响，在不看见样品的情况下，根据表面粗糙度评价程序在规定的时间内对每个样品进行评价。重复这个过程，直到所有的控制面料和样品都被评价。评价委员会在最短2天最多5天的间隔中完成3次测试过程。
面料总手感
为了进行总手感值（THV）的主观评价，将面料样品按照克重分为2组。面料克重在100g/m2~200g/m2的是轻重量的，而克重为200g/m2~320g/m2的是重质量的。总手感的测定与前面的评价有3点不同。第一，评价委员会没有明确的方法，这意味着她/他可以以自己的方式评价面料。第二，评价委员会没有给定控制面料――目前在Turkey还没有对面料标准手感的研究，也没有用于每个测试的标准面料。第三点是评价范围的不同。评价范围使用从1（不适合）到5（非常适合）的数字，评价委员会成员从主观角度鉴定男西服面料的手感，作出自己的评价。
结果与讨论
以上试验所得的数据利用SPSS13.0软件里的统计应用程序包进行评估，通过对斯皮尔曼相关系数的计算研究主观和客观粗糙度测试结果之间的关系，并应用各种分析方法来考察几个因素对客观测试结果的影响。
主观和客观测试结果间的关系
粗糙度参数
这是本研究中重要的步骤之一。根据各种标准[14]和粗糙度测试仪测试中应用到的标准选择粗糙度参数。用这种粗糙度测试仪得到的可测量参数很多，而本试验方法从中选择一些重要的参数进行分析。斯皮尔曼相关系数分析法被应用到主观和客观测试中，相关分析的结果被用在选择粗糙度参数的过程中。具有很高相关系数的粗糙度参数（Ra，Rq，Rp，Rmrd，Rq）首先被选中。然而，参数Rmrd和Rq因为不是最常用的粗糙度参数被省略。下一步，利用参数选择的结果进行下一步分析。
对选择出来的3个粗糙度参数定义如下：Ra是均线（Yi）轮廓偏差的绝对值的算术平均差，见公式（1）[14]。
（1）
Rq是均线的轮廓（Yi）偏差平方的平均值的算术平方根，见公式（2）。
（2）
Rp（最大偏重）是每个样品长度个体评估的轮廓峰重（Rpi）的均值，当样品长度的数量等于5的时候，见公式（3）。
（3）
选出的粗糙度参数值和主观粗糙度值间的斯皮尔曼相关系数见表3。所有的相关系数在统计上的置信水平为α=0.01。
表3中的参数是依据主观粗糙度结果选出来的。然而一个重要的观点是：所有总手感值和选择参数间的相关系数都在α=0.01的置信水平上有统计意义。基于这个结果，使用这种粗糙度测试仪研究面料的手感是可行的。在表3中，研究高相关性的3个参数之间的系数。在这种情况下，可以使用3个粗糙度参数之间的一个或两个来判定面料的粗糙度。
主观测试结果间的联系如期望中的一样重要。THV和主观粗糙度（Rsubj）之间的相关系数被置于α=0.01置信水平，由于评价范围中（rs=－0.631）数字的含义，这些是无意义的。这表明了，评价委员会成员认为总手感和粗糙度有关，当粗糙度值增加的时候（1是最平滑的，10是最粗糙的），手感值降低。这意味当面料很粗糙的时候，手感最差。
影响客观测试结果的因素
各种分析的结果见表4。对于选择的3个参数（Ra，Rq，Rp），在面料纤维成分上其值没有显著的不同（P>0.05）。但是在织物组织上却可以看到明显的不同，“平纹和平纹变化组织”与“斜纹和斜纹变化组织”（P0.05）上没有显著不同。因此可以推知，利用这个表面粗糙度测试仪可以在73个面料样品上进行重复试验。
表4各种分析的结果
结论
本研究介绍了一个将表面粗糙度测试仪应用在面料上的新应用。用表面粗糙度测试仪测试了73个样品，包括100%羊毛和羊毛/涤纶混纺精梳男套装面料。结果显示，组织类型对测试的结果有影响，这意味着仪器能测定不同的组织，而纤维成分对测试结果没有影响，而且这些结果是具有重现性的。
这个研究介绍了一种仪器，它可以用于研究面料的表面性能。对面料性能的进一步研究正在计划中，比较包括本研究用到的仪器在内的不同表面测试仪的测试效果。新的研究还计划在不同的最终用途、纤维成分和织物组织等方面考察经不同化学试剂处理后的面料表面粗糙度。对这种仪器的应用研究，即基于仪器可测量的面料特性参数来预测面料手感的研究还在继续。
参考文献：
[1]Kawabata, S., The Standardization and Analysis of Hand Evaluation, 2nd edition, The Textile Machinery of Japan, Osaka, 1980, pp1-50.
[2] Hearle, J. W. S. and J. Amirbayat, Journal of The Textile Institute,Vol. 79, No. 4,1988,pp 588-597.
[3] Matsudaira, M., J. D. Watt, and G. A. Carnaby, Journal of The Textile Institute, Vol. 81, No. 3, 1990a, pp288-299.
[4] Matsudaira, M., J. D. Watt, and G. A. Carnaby, Journal of The Textile Institute, Vol. 81, No. 3, 1990b, pp300-309.
[5] Ajayi, J., Textile Research Journal, Vol. 62, No. 1, 1992, pp52-59.
[6] Rangulam, R. B., J. Amirbayat, and I. Porat, Journal of the Textile Institute, Vol. 84, No. 1, 1993, pp99-106.
[7] Matsuo, T., et al., Journal of the Textile Institute, Vol. 91, 2000, pp78-91.
[8] Okur, A., Textile Asia, August 2002, pp32-34.
[9] Ramkumar, S. S., et al., Textile Research Journal, Vol. 73, No. 6, 2003a, pp469-473.
[10] Ramkumar, S. S., et al., Textile Research Journal, Vol. 73, No. 7, 2003b, pp606-610.
[11] Ramkumar, S. S., AATCC Review, Vol. 2, No.11, November 2002, pp24-27.
[12] Ramkumar, S. S., et al., AATCC Review, Vol. 6, No. 2, February 2006, pp35-38.
[13] Sülar, V., Ph.D.Thesis, Dokuz Eylul University, 2005.
[14] Mitutoyo SJ-301 Surface Roughness Tester User’s Manual.
（文章来源：）